中運量跨座式單軌交通工業(yè)化建造現(xiàn)狀與趨勢

劉 壯， 周 帥, 方 聰

(1.中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長沙 410004；2.清華大學(xué) 土木工程系，北京 100084;3.湖南湘江新區(qū)投資集團有限公司，湖南 長沙 410000)

1 城市軌道交通新制式

1.1 大運量城市軌道交通

地鐵是典型的大運量城市軌道交通制式，鋼輪鋼軌，主要采用地下隧道形式敷設(shè)線路(圖1)。車輛采用A型車或者B型車，車體寬度2.6～3.2 m，軸重14～16 t，車輛定員310人，8節(jié)車輛編組定員2 480人，最小發(fā)車間隔120 s，高峰小時運量可達到6萬人以上[1，2]。

圖1 地鐵制式城市軌道交通

對于一線大型城市主要線路，客流運輸流量大，地鐵是不可替代的軌道交通制式選擇。以北京地鐵為例，2018年運營里程合計637 km，日均客流量1 069萬人次，其中，地鐵1號線，線路全長31 km，每千米日均客流量5.2萬人次，高峰小時客流量超過10萬人次。

地鐵的建造成本、運營成本高，建設(shè)工地也比較長。由于主要采用地下隧道的結(jié)構(gòu)形式，并且線路走向與城市中心區(qū)域主要市政道路一致，土建費用大，特別地對于大型的地下車站，長度在200 m以上，豎向立體交叉，單個車站的費用超過10億元，全線車站、區(qū)間費用每千米平均在6億元以上，個別特殊線路每千米建造成本超過12億元。地鐵運營平均每千米每年在1 500萬元左右，主要包括人員成本，線路檢修人員、列車司機、車站值班員、安檢售檢票人員等，平均每千米50人，電力能耗支出，軌道線路、車站設(shè)備、車輛檢修、零部件更換等，運營成本相對較高。

1.2 中低運量城市軌道交通

1.2.1 跨座式單軌交通

中運量跨座式單軌交通(圖2)是一種軌道梁在下，車輛騎跨在軌道梁上方，車輛走行輪直接作用在軌道梁頂面，兩側(cè)導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪作用在軌道梁側(cè)面，車輛抱軌運行的一種軌道交通制式，現(xiàn)有橋跨結(jié)構(gòu)通常為混凝土結(jié)構(gòu)。主要采用B型車或者C型車，4～6節(jié)車輛編組，軸重11～14 t，車輛定員240人，單向高峰小時客運量可達到3萬人次。重慶軌道交通3號線采用跨座式單軌交通制式，線路全長67 km，每千米最高日交通量1.6萬人次[3,4]。

圖2 跨座式單軌交通

跨座式單軌交通的線路軌道系統(tǒng)一般采用橋跨結(jié)構(gòu)形式，軌道梁既是承重結(jié)構(gòu)，又是走行軌道，梁軌合一。軌道梁恒載自重較輕，車輛活載占比大，與一般鐵路、公路橋梁的車輛活載占比不超過35%和15%相比，跨座式單軌系統(tǒng)活載占比超過50%，車輛活載作用下，梁體豎向彎曲撓度大，剛度控制結(jié)構(gòu)設(shè)計、車橋耦合動力學(xué)問題突出。同時，跨座式單軌交通車輛為橡膠輪胎，走行輪、導(dǎo)向輪、穩(wěn)定輪環(huán)抱軌道梁運行，為緩解橡膠輪胎磨損，降低運營成本，提高運行舒適度，軌道梁線形精度和表面平整精度要求高，通常為毫米級的成橋線形控制精度[5,6]。

1.2.2 懸掛式單軌交通

低運量懸掛式單軌交通(圖3)是一種剛性軌道梁在上，車輛轉(zhuǎn)向架走行在軌道梁內(nèi)部，車體與轉(zhuǎn)向架通過連接軸懸吊在軌道梁下方的一種軌道交通制式，通常橋墩、軌道梁、牛腿等橋跨結(jié)構(gòu)組成部分均為工廠預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)現(xiàn)場快速裝配化施工。主要采用C型車，車輛定員100～150人，2～4節(jié)編組，軸重6.5 t，單向高峰小時客運量1萬人次左右，屬于小運量軌道交通系統(tǒng)[7]。

圖3 懸掛式單軌交通

懸掛式單軌交通與跨座式單軌交通同屬于單軌交通系統(tǒng)，以軌道梁為分界線，跨座式單軌交通車輛騎跨在軌道梁上方，而懸掛式單軌交通車輛則懸吊于軌道梁下方。在同一下部凈空要求下，懸掛式單軌的結(jié)構(gòu)高度要高于跨座式單軌。懸掛式單軌交通車輛軸重、運輸能力明顯低于跨座式單軌交通，每千米建造運營成本也成比例降低。同時，懸掛式單軌車輛轉(zhuǎn)向架走行在C型軌道梁內(nèi)部，可不受冰雪天氣等外部因素影響，實現(xiàn)全天候的運行。

1.2.3 中低速磁懸浮交通

中低速磁懸浮交通(圖4)，是相對于高速磁懸浮而言的一種交通制式，兩者都是基于電磁懸浮原理實現(xiàn)車輛的豎向支撐和導(dǎo)向，運行過程中，中低速磁懸浮車輛與地面F軌道之間始終保持著8～12 mm的懸浮間隙，通過直線電機實現(xiàn)車輛運行的牽引；不同的是，高速磁懸浮為長定子直線電機牽引，運行過程中，軌道分段供電實現(xiàn)車輛運行，車輛與地面完全無接觸，中低速磁懸浮為短定子直線電機牽引，運行過程中車輛需要從軌道梁兩側(cè)刷電運行，因此運行過程中并不是完全地與地面設(shè)施無接觸。

圖4 中低速磁懸浮交通

運行過程中，中低速磁懸浮車輛與地面軌道并無輪軌接觸，沒有集中的軸重荷載，而是表現(xiàn)為電磁懸浮的豎向反作用力，車輛活載可根據(jù)懸浮架的分布位置按均布荷載處理，一般采用B型車或者C型車，根據(jù)不同的車輛編組，可實現(xiàn)單向高峰小時客運量2萬人次。由于運行車輛與軌道之間為毫米級的間隙，要求線路軌道結(jié)構(gòu)剛度大，活載作用下?lián)锨冃涡。o活載作用下豎向撓跨比按1/4000控制，下部土建工程費用相對較高。

1.2.4 現(xiàn)代有軌電車交通

現(xiàn)代有軌電車交通(圖5)，是一種地面敷設(shè)軌道供車輛走行的一種軌道交通制式，建造成本低，運輸能力小，主要采用C型車，單向高峰小時客運量1萬人次以下。20世紀初，有軌電車風(fēng)靡全球，后來隨著汽車的興起，有軌電車因為需要和行人、汽車爭搶地面資源，逐步被市場淘汰，以美國為例，有軌電車從高峰期的8 000 km逐步拆除直至目前只有少數(shù)幾條線路在運行。進入到21世紀以來，現(xiàn)在有軌電車在我國一些新區(qū)、工業(yè)園區(qū)等特定的線路上又逐步應(yīng)用起來，由于建造、運營成本低，未來應(yīng)有一定的市場應(yīng)用范圍，但路權(quán)問題始終是制約其推廣應(yīng)用的瓶頸，而如果采用高架線路，建造成本又將顯著增加，性價比將會迅速降低。

1.3 不同制式城軌交通綜合對比

大運量地鐵和中低運量典型的跨座式單軌、懸掛式單軌、中低速磁懸浮、現(xiàn)代有軌電車綜合參數(shù)對比見表1，不同制式軌道交通的建造成本、運營成本基本與運輸能力呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，每一種交通制式都有著比較明確的功能定位。城市軌道交通是為人們的高質(zhì)量出行服務(wù)的，交通制式的選型應(yīng)該首先從客流運輸需求出發(fā)，把規(guī)劃線路中遠期的客流量作為第一原則，結(jié)合城市規(guī)模、政府財政能力、人文景觀等因素進行綜合選型[8]。

表1 不同制式城市軌道交通參數(shù)對比

1.4 跨座式單軌交通發(fā)展趨勢

以跨座式單軌交通為代表的中運量城市軌道交通是未來我國二三四線城市以及“一帶一路”沿線國家中小城市的最佳制式選擇。一方面，中小城市的客流量相對一線城市顯著降低，中運量城市軌道交通制式能滿足運能需求，采用大運量地鐵則會浪費運輸能力；另一方面，城市軌道交通作為民生工程，建造、運營都需要地方政府的財政補貼，中小城市的財力補貼也不足以維持高建造成本、高運營費用的地鐵制式，采用造價顯著降低的中運量城市軌道交通與地方政府的財政支付能力也更為匹配。

自2017年內(nèi)蒙古包頭地鐵建設(shè)被緊急叫停以來，國家政策環(huán)境上進行了較大幅度的調(diào)整，不同的城市應(yīng)該根據(jù)當?shù)乜土髁啃枨蟆⒊鞘幸?guī)模大小、地方政府財政水平，科學(xué)合理地進行城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃。《國務(wù)院辦公廳關(guān)于進一步加強城市軌道交通規(guī)劃建設(shè)管理的意見》(國辦發(fā)〔2018〕52號)規(guī)定：城市軌道交通系統(tǒng)，除有軌電車外均應(yīng)納入城市軌道交通建設(shè)規(guī)劃并履行報批程序。地鐵主要服務(wù)于城市中心城區(qū)和城市總體規(guī)劃確定的重點地區(qū)，申報建設(shè)地鐵的城市一般公共財政預(yù)算收入應(yīng)在300億元以上，地區(qū)生產(chǎn)總值在3 000億元以上，市區(qū)常住人口在300萬人以上。同時，文件還規(guī)定，引導(dǎo)輕軌有序發(fā)展，申報建設(shè)輕軌的城市一般公共財政預(yù)算收入應(yīng)在150億元以上，地區(qū)生產(chǎn)總值在1 500億元以上，市區(qū)常住人口在150萬人以上。擬建地鐵、輕軌線路初期客運強度分別不低于每日每千米0.7萬人次、0.4萬人次，遠期客流規(guī)模分別達到單向高峰小時3萬人次以上、1萬人次以上。以湖南省為例，在新的政策文件要求下，除了省會城市長沙能夠滿足修建地鐵的指標要求外，岳陽、衡陽、常德、株洲、湘潭等一批湖南省內(nèi)有修建城市軌道交通需求的城市都不滿足修建地鐵的條件，只能規(guī)劃發(fā)展以跨座式單軌交通為代表的中低運量城市軌道交通。

當前，我國經(jīng)濟下行壓力加大，國際貿(mào)易形勢緊張，加大基礎(chǔ)設(shè)施投資建設(shè)力度成為了國家新的一輪穩(wěn)增長的重要舉措。以安徽蕪湖、廣西柳州、湖南衡陽、廣東汕頭等為代表的二三四線城市加緊了跨座式單軌交通等城市軌道交通的規(guī)劃建設(shè)進度，未來，隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的進一步推進和“一帶一路”戰(zhàn)略逐步落實，中運量城市軌道交通將有著良好的應(yīng)用前景。

2 軌道交通工業(yè)化建造

2.1 國家政策環(huán)境的要求

2017年2月，國務(wù)院頒布《國務(wù)院辦公廳關(guān)于促進建筑業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的意見》，提出要堅持標準化設(shè)計、工廠化生產(chǎn)、裝配化施工、一體化裝修、信息化管理、智能化應(yīng)用，推動建造方式創(chuàng)新，大力發(fā)展裝配式混凝土和鋼結(jié)構(gòu)建筑，在具備條件的地方倡導(dǎo)發(fā)展現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑，不斷提高裝配式建筑在新建建筑中的比例。力爭用10年左右的時間，使裝配式建筑占新建建筑面積的比例達到30%。

在全面推進生態(tài)文明建設(shè)、加快推進新型城鎮(zhèn)化、特別是實現(xiàn)中國夢的進程中，裝配式建筑的發(fā)展意義重大。一是有利于大幅降低建造過程中的能源資源消耗。據(jù)統(tǒng)計，相對于傳統(tǒng)的現(xiàn)澆建造方式，可節(jié)水約25%，降低抹灰砂漿用量約55%，節(jié)約模板木材約60%，降低施工能耗約20%。二是有利于減少施工過程造成的環(huán)境污染影響。顯著降低施工粉塵和噪聲污染,減少建筑垃圾70%以上。三是有利于顯著提高工程質(zhì)量和安全。以工業(yè)化代替?zhèn)鹘y(tǒng)手工作業(yè)，既能確保部品部件質(zhì)量，提高施工精度，大幅減少建筑質(zhì)量通病，又能減少事故隱患，降低勞動者工作強度，提高施工安全性。四是有利于提高勞動生產(chǎn)率，縮短綜合施工周期25%～30%。現(xiàn)場施工與工廠生產(chǎn)相比，生產(chǎn)效率明顯提高。五是有利于促進形成新興產(chǎn)業(yè)，促進建筑業(yè)與工業(yè)制造產(chǎn)業(yè)及信息產(chǎn)業(yè)、物流產(chǎn)業(yè)、現(xiàn)代服務(wù)業(yè)等深度融合，對發(fā)展新經(jīng)濟、新動能、拉動社會投資促進經(jīng)濟增長具有積極作用。

2.2 跨座式單軌橋跨基本構(gòu)造

跨座式單軌交通橋跨基本構(gòu)造如圖6所示，獨柱墩布置在市政道路中央分隔帶，墩頂蓋梁支撐雙線軌道梁，跨座式單軌車輛環(huán)抱軌道梁運行，走行輪支撐在軌道梁頂面，導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪支撐于軌道梁側(cè)面。雙線軌道梁構(gòu)造如圖7所示，軌道梁梁寬690～1250 mm，雙線線間距4.6 m，梁高根據(jù)跨度大小進行優(yōu)化調(diào)整。雙線軌道梁橫向設(shè)置橫梁和平聯(lián)，促使雙線共同受力。

圖6 跨座式單軌交通示意圖

圖7 跨座式單軌交通雙線軌道梁

目前，跨座式單軌交通主要分為三類不同的制式，分別是日本日立雙軸轉(zhuǎn)向架、加拿大龐巴迪單軸轉(zhuǎn)向架以及基于這兩類主要制式衍生出來的比亞迪、中車等不同梁寬的車輛制式，如圖8所示。不同的車輛制式對應(yīng)不同的軌道梁梁寬，主流的浦鎮(zhèn)-龐巴迪制式車輛和長客-國標跨座車對應(yīng)梁寬分別為690 mm、850 mm。跨座式單軌交通軌道梁梁寬相對于市政、公路、鐵路橋梁箱梁寬度、體量明顯減小，活載占比大，受力特征有較大區(qū)別。

圖8 跨座式單軌交通不同車輛廠家對應(yīng)軌道梁梁寬

從跨座式單軌交通主要橋跨構(gòu)造、軌道梁主要結(jié)構(gòu)尺寸對比分析，可以看出，相對于裝配式建筑梁、板、柱、墻、節(jié)點構(gòu)件數(shù)量極大、種類繁多、臨時支撐工作面狹窄等技術(shù)難點，以橋跨結(jié)構(gòu)為主要構(gòu)造形式的跨座式單軌交通，基礎(chǔ)、墩身、軌道梁構(gòu)件種類少、數(shù)量少、單件尺寸大，構(gòu)件標準化拆分、工廠化預(yù)制、現(xiàn)場裝配化施工，可實施性強，完全可以實現(xiàn)工業(yè)化建造。

2.3 跨座式單軌橋跨工業(yè)化建造現(xiàn)狀

重慶軌道交通2號線、3號線采用跨座式單軌交通制式，線路全長98.5 km，其中3號線全長67 km，是世界上運營里程最長的單軌線路。全線軌道梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)造形式，標準跨徑22～24 m，簡支支撐邊界條件，在軌道梁廠標準化預(yù)制，現(xiàn)場裝配化施工。如圖9、圖10所示，主要有運梁車、架橋機聯(lián)合施工，地面吊機吊裝施工兩種方式。軌道梁安裝到位后，調(diào)整梁底鑄鋼鉸軸支座，施工軌道梁頂面和側(cè)面指形板，實現(xiàn)走行面連續(xù)。

圖9 預(yù)制軌道梁架橋機安裝

圖10 預(yù)制軌道梁汽車吊機安裝

廣西柳州公共交通2號線一期示范段10.8 km，采用跨座式單軌交通制式。全線軌道梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)造，采用30 m+30 m+30 m連續(xù)梁標準橋跨結(jié)構(gòu)。如圖11、圖12所示，30 m跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土軌道梁工廠化預(yù)制，軌道梁吊裝完成后，通過梁底三向可調(diào)節(jié)千斤頂和梁側(cè)支撐桿對軌道梁線形進行精確調(diào)整，調(diào)整到位后進行支點濕接縫施工，實現(xiàn)軌道梁邊界條件簡支轉(zhuǎn)連續(xù)，連續(xù)梁支點不設(shè)置預(yù)應(yīng)力，通過梁頂鋼板和中性軸以上普通鋼筋抵抗連續(xù)梁負彎。

圖11 預(yù)應(yīng)力混凝土軌道梁預(yù)制

圖12 預(yù)制軌道梁線形精調(diào)

跨座式單軌交通在日本福岡、北九州、大阪、東京等城市都有應(yīng)用，軌道梁主要采用鋼結(jié)構(gòu)，如圖13所示。標準跨徑為40 m，梁廠分段(根據(jù)鋼板材下料長度切分為2～3段)焊接成型，現(xiàn)場通過高強螺栓拼接成整片梁體，地面吊機吊裝完成，梁端支座支撐于墩身蓋梁，簡支邊界條件。

圖13 鋼結(jié)構(gòu)軌道梁

3 裝配式鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)

預(yù)應(yīng)力混凝土軌道梁工程造價低，梁體自重大，車輛運行過程中活載占比相對較低，平穩(wěn)舒適度相對較高。值得注意的是，跨座式單軌交通軌道梁既是承重結(jié)構(gòu)，又是走行軌道，車輛抱軌運行，對梁體線形精度要求高。為了使混凝土軌道梁實現(xiàn)毫米級的預(yù)制精度和安裝精度，措施費用較大，質(zhì)量風(fēng)險較高。以廣西柳州2號線跨座式單軌項目為例，軌道梁寬690 mm，要求垂直軌道梁橫向的頂面表面不平度(合計值)在任一690 mm線上不得超過1.5 mm，軌道梁梁寬尺寸最大偏差不得超過3 mm，為了滿足軌道梁簡支轉(zhuǎn)連續(xù)的成橋線形精度，研發(fā)的中支點處精調(diào)設(shè)備系統(tǒng)單套價格超過50萬元，并且周轉(zhuǎn)效率低，施工措施費用大。在重慶軌道交通2號線項目實施過程中，預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土軌道梁安裝完成后，由于混凝土收縮徐變等因素的影響，將近60%的梁體不能滿足0.4%梁端轉(zhuǎn)角的指標要求，導(dǎo)致遲遲不能通車，產(chǎn)生了較大的輿論壓力，最終只得采取軌道梁表面磨耗的方式進行成橋線形匹配。

鋼結(jié)構(gòu)軌道梁可以實現(xiàn)板件標準化拆分，工廠化加工生產(chǎn)，結(jié)構(gòu)平整度和軌道梁線性精度容易控制，梁體質(zhì)量輕，現(xiàn)場吊裝方便，施工速度快。然而，完全鋼結(jié)構(gòu)的軌道梁在跨座式單軌交通運營過程中也有著難以克服的不足。首先，軌道梁走行面耐候的問題。車輛抱軌運行，走行輪直接作用于軌道梁上表面，車輛起動、制動、運行使得走行面一直處于磨損狀態(tài)，現(xiàn)有的鋼結(jié)構(gòu)涂裝難以對軌道梁走行面進行長期保護，存在防腐、耐候問題，運營費用高。其次，運營環(huán)保問題。鋼結(jié)構(gòu)軌道梁自重輕、阻尼小，跨座式單軌運營過程中，車-橋耦合振動問題突出，車輛運行平穩(wěn)性降低，特別地，走行輪直接作用于鋼結(jié)構(gòu)表面，軌道梁局部振動引起的噪聲問題明顯。第三，全鋼結(jié)構(gòu)軌道梁材料加工制作成本高，走行面、導(dǎo)向面鋼結(jié)構(gòu)表面磨損等運維費用高，整體造價水平明顯高于混凝土軌道梁。

采用鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)軌道梁[9-11]，可以在全鋼結(jié)構(gòu)軌道梁、混凝土軌道梁基礎(chǔ)上進行組合，揚長避短，進行構(gòu)造優(yōu)化設(shè)計。軌道梁下部構(gòu)造采用鋼結(jié)構(gòu)，工廠化加工制作，合理控制成橋線形，降低軌道梁成橋質(zhì)量風(fēng)險，降低施工措施費用，相對于混凝土軌道梁，可以加大結(jié)構(gòu)跨度，減輕梁體自重，降低下部結(jié)構(gòu)工程費用，綜合工程造價測算可以做到與混凝土軌道梁持平甚至折減。鋼-混凝土組合軌道梁上部走行面板采用混凝土面板，增加軌道梁梁體整體結(jié)構(gòu)阻尼，緩解梁體局部振動，降低運營噪聲污染，跨座式單軌列車走行輪和導(dǎo)向輪與上部混凝土面板接觸，增加輪軌摩擦力，提高車輛運行平穩(wěn)舒適度。

4 結(jié)束語

群釘連接裝配式鋼-混凝土組合新技術(shù)在快速建造、經(jīng)濟指標以及環(huán)保社會效益上應(yīng)具備綜合優(yōu)勢，適應(yīng)于以跨座式單軌交通為代表的中低運量城市軌道交通工業(yè)化建造未來發(fā)展趨勢。